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優化生物處理系統整治六價鉻及三氯乙烯污染之地下水

為了解決cleanup足元抽的問題，作者林韋翰 這樣論述：

土壤及地下水的鉻污染多為電鍍及染整等廢水不當排放而洩漏至地下環境及有害廢棄物不當棄置所造成。環境常見的鉻型態是金屬鉻、六價鉻及三價鉻。由於六價鉻多以鉻酸鹽存在，鉻酸鹽具致癌性、高毒性及高水溶性之特性，因此六價鉻造成的地下水污染場址必須進行立即的整治，以避免污染擴散，造成對生態及人體健康的危害。國內在中部及南部有多個六價鉻地下水污染場址，常用的整治方法為抽取處理及現地化學還原(使六價鉻還原為毒性低且穩定性高的三價鉻)。然而，抽取處理在長期操作下除操作維護成本增加外，六價鉻和土壤的吸附將使處理效益無法提升。而現地化學還原因大量注入還原劑，將使地下水水質惡化。此外，還原劑注入將形成陽離子沉澱，造成

注入井附近土壤孔隙的阻塞，使還原劑無法有效擴散，造成整治難度的提高。台南煜林電鍍廠場址自2000年因電鍍廢水洩漏造成地下水污染後，雖使用不同之物理化學方法，但至今還未完成整治，即是一個著名的案例。由於六價鉻污染地下水整治是屬於長期性的工作，而六價鉻可在厭氧下被鉻酸鹽還原菌轉換為三價鉻，因此現地加強式厭氧生物整治技術是較為經濟可行的整治方式。生物整治技術是較為經濟可行的整治方式。本研究主要目的為：(1)以緩釋乳化基質(slow-releasing emulsified polycolloid-substrate, ES)、糖蜜(cane molasses, CM)及營養液體培養基(nutrien

t broth, NB)作為替代碳源，評估其將地下環境轉換為厭氧還原條件並刺激鉻還原菌生長，使六價鉻作為電子接受者，而所添加的基質碳源為電子供應者，使六價鉻在鉻還原菌作用下還原為三價鉻，達到整治六價鉻污染地下水之可行性；(2)評估鉻沉澱物在土壤中之型態及沉澱物之穩定性；(3)利用分子生物技術(metagenomic)評估生物厭氧六價鉻還原，其現地微生物之多樣性及優勢菌種。本研究中將利用次世代定序(next generation sequencing, NGS)分析技術進行鉻還原菌及菌相分析，透過NGS之快速及準確率高之特性，達到建立完整環境微生物在六價鉻污染場址之完整生化代謝圖譜及特徵基因和優

勢菌之變化。結果顯示，在CM組80天時，完全還原完六價鉻，其ES及NB組還原效率分別為83%及59%。在CM及ES組，六價鉻還原相關菌種組成及變化有增加之現象，NB組則相反。ES及CM組應用於現地微生物中，有效使六價鉻還原相關菌種生長(包括: Sporolactobacillus、Clostridium sp.及Ensifer)，而NB組應用於現地微生物使用時，可能不適合當作電子使用，所以還原效率較差。本研究成果可釐清六價鉻生物還原過程中之相關機制外，並可達到發展生物整治系統以提升六價鉻厭氧還原效率之目的。本研究成果將使鉻污染場址整治成為一種更具經濟效益且突破傳統設計框架之綠色整治工法，符合現

地及生物之永續式整治設計概念。含氯有機溶劑為土壤及地下水中常見之重質非水相溶液(dense non-aqueous phase liquids, DNAPL)污染物，而三氯乙烯(trichloroethylene, TCE)為最具代表性之含氯有機物。由於DNAP污染場址之整治是屬於長期性的工作，因此加強式厭氧生物整治技術是較為經濟可行的整治方式。含氯有機溶劑(本研究以TCE為目標污染物)之厭氧生物降解，需長期提供微生物生長所需之基質，而基質厭氧發酵分解所產生之氫將成為脫氯菌還原脫氯作用中之電子供應者，取代TCE之氯離子，使TCE完全脫氯產生無害之乙烯。然而，在TCE之現地還原脫氯中，有四項造成

TCE降解效率無法提升之問題必須克服：(1)某些場址地下水中之硫酸鹽濃度偏高，造成硫酸鹽與脫氯菌競爭氫氣，使還原脫氯所需氫離子不足；(2)基質之分解形成厭氧環境，造成甲烷菌成為優勢菌並與脫氯菌競爭氫氣；(3)基質之注入將造成厭氧發酵反應而產生脂肪酸，造成地下水酸化，使脫氯菌之生長受到抑制；及(4)TCE無法有效完全降解，而毒性高之副產物氯乙烯(vinyl chloride, VC)累積。本研究主要目的為：(1)探討硫酸鹽還原菌及甲烷菌對脫氯菌還原脫氯之影響；(2)開發可抑制硫酸鹽還原菌及甲烷菌生長之藥劑；(3)以產氫菌提升氫產量及還原脫氯反應速率； (4)釐清並排除VC累積因素；(5)發展優化

整治技術提升TCE還原脫氯效率。本研究將利用次世代定序技術(next generation sequencing, NGS) (metagenomics)搭配即時定量聚合酶連鎖反應(real-time quantitative polymerase chain reaction, qPCR)分子生物技術進行菌相分析及菌種關係探討，環境微生物在批次試驗之特徵基因和優勢菌之變化。結果顯示，添加產氫菌因增加了氫氣所以促使脫氯菌(Dehalococcoides, DHC)生長(增加至1×104 gene copies/L)，進而強化還原脫氯之成效(TCE去除率97.4%)。然而添加產氫菌同時亦會刺激硫

酸還原菌(dissimilatory sulfide reductase subunit A, dsrA)生長(增加至2×108 gene copies/L)，使得氫氣快速消耗，限制DHC生長要素進而影響生長。為了減少添加產氫菌對DHC的負面影響，所以添加抑制劑檸檬酸鐵，檸檬酸鐵是利用氧化還原電位抑制硫酸還原菌，而添加鉬酸鹽可有效抑制SRB生長(下降4×107 至 9×105 gene copies/L)，減少硫酸還原及硫化物之產生，增加氫氣濃度(增加0至2 mg/L)，增加DHC之增加(增加8×103 至1×105 gene copies/L)，進而增加TCE還原脫氯效率(TCE去除率99.

3%)。而鉬酸鹽加檸檬酸鐵抑制劑之添加，更有效之抑制硫酸還原菌生長，減少氫氣及基質之消耗，增強DHC還原脫氯之成效。Metagenomic分析結果顯示，不同處理方式微生物豐富度之變化，檸檬酸鐵加鉬酸鹽之添加減少SRB之生長，增加脂肪酸產生菌種之生長(增加4.9%至20.2%)，有助於產氫及脫氯。而當場址呈現甲烷化階段時，甲烷菌會與DHC競爭氫氣及基質，影響DHC生長及還原脫氯之成效。雖然甲烷菌會與DHC是競爭關係，但不能完全抑制甲烷菌，因甲烷菌會生成維他命B12供給DHC生長使用。所以本研究將添加產氫菌及甲烷菌抑制劑創造適合DHC生長的環境，促進還原脫氯之成效。本研究將分為兩部分，一部分為只添

加產氫菌另一部分為添加甲烷菌抑制劑組，並觀察TCE、副產物之變化及利用qPCR觀察菌種基因變化。此測試結果顯示，添加越多之電子越能增加還原脫氯之成效。結果顯示，CA-1及CA-2組增加TCE去除氯(73.3%至79%)，qPCR結果顯示(20天時)，DHC增長至8.9×103及2.1×104 gene copies/mL。甲烷菌抑制劑組2-bromoethanesulfonate (BES)及2-chloroethanesulfonate (CES)結果顯示，抑制甲烷產生，減少副產物之累積((dichloroethane, DCE) 及(vinyl chloride, VC))，並有無毒乙烯(

ethene, ETH)產生，因減少甲烷菌競爭使得提升還原脫氯，鉬酸鹽(molybdate, Mo)及鉬酸鹽加BES高抑制甲烷菌之生長，提升DHC之生長。以上結果顯示，添加足夠電子及四種抑制劑可有效抑制甲烷菌生長並提升完全還原脫之成效。本研究成果將使優化之整治系統成為一種更具經濟效益且突破傳統設計框架之綠色整治工法，符合現地及生物之永續式整治設計概念。